아주대 황종국 교수팀, 나노 다공성 소재의 구멍 크기 독립 제어 기술 개발 … "물질 이동속도·효율↑"

아주대학교는 화학공학과 황종국 교수 연구팀이 내부에 다양한 크기의 구멍을 가진 ‘스펀지 구조’의 나노 다공성 소재에서 기공 크기를 독립적으로 제어할 수 있는 원천기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

기공 구조의 정밀 설계는 차세대 배터리를 비롯해 촉매와 수처리 필터 등 다양한 에너지·환경 분야의 고성능 소재 개발에 폭넓게 활용될 수 있다.

이번 연구는 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이진우 교수, 충남대 유기재료공학과 진형민 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

다공성 소재는 마치 스펀지 같은 구조로, 물질을 저장하거나 이동시키는 데 유리하다. 구멍(기공)의 크기와 연결 방식에 따라 물질의 이동속도와 반응 효율이 달라진다.

산업계·학계에선 다공성 소재를 ▲흡착·분리 ▲촉매 ▲에너지 저장 등에 활용하고 있다. 정수기 필터나 탈취제 등에 쓰이는 활성탄, 제습제나 건조제로 쓰이는 실리카겔 등이 일상에서 흔히 볼 수 있는 다공성 소재다.

특히 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준인 나노미터(㎚) 단위에서 물질을 제어하는 나노 소재 분야에선 기공 크기에 따라 물질 이동과 반응 특성이 크게 달라진다. 거대기공(Macroporous·지름 50㎚ 초과 기공)과 메조기공(Mesoporous·지름 2~50㎚ 기공)이 각각 다른 기능을 수행하는 것이다. 거대기공은 물질이 빠르게 이동할 수 있는 통로 역할을 한다. 메조기공은 반응이 일어나는 활성 표면을 제공한다. 따라서 두 종류의 기공 구조를 동시에 정밀하게 설계하는 것이 고성능 소재 개발의 핵심 요소다.

그러나 기존 합성 기술에선 여러 주형을 단계적으로 사용하는 복잡한 공정이 필요하거나 각 기공의 크기를 개별적으로 조절하기 어려운 한계가 있었다. 이 때문에 기공 구조를 독립적으로 조절할 수 있으면서 공정이 단순한 새 합성 기술이 요구됐다.

공동 연구팀은 서로 다른 두 종류의 고분자를 혼합한 이성분계 고분자(Binary Polymer) 블렌드의 ‘자기조립(Self-assembly) 현상’에 주목했다. 이는 서로 다른 고분자를 섞으면 특정 조건에서 스스로 정교한 나노 구조를 형성하는 것을 말한다.

연구팀은 자기조립 특성과 무기 소재 합성 과정을 결합해 새로운 설계 원리를 정립하고, 이를 통해 기공 크기와 화학 조성을 비교적 간단하게 제어할 수 있는 합성 기술을 개발했다.

연구팀은 이 합성법으로 제조한 탄소 소재를 차세대 2차 전지인 포타슘이온전지(K-ion battery)의 음극에 적용한 결과, 높은 에너지 저장 용량과 우수한 안정성을 동시에 확보했다. 기공 구조를 독립적으로 설계함으로써 이온 이동 경로와 반응 활성 면적을 동시에 최적화한 결과다.

황종국 교수는 “이번 연구는 다공성 소재에서 기공을 독립적으로 설계할 수 있는 새 합성 원리를 제시한 것”이라며 “이 구조 제어 기술은 차세대 나트륨 이온 배터리를 비롯해 전기화학 촉매, 정수·수처리 필터 소재 등 다양한 에너지·환경 분야에 적용할 수 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제 저명 학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal·화학공학 저널)’에 지난 1일 게재됐다. 아주대 에너지시스템학과 박종윤 석박사 통합과정생이 제1저자, 아주대 황종국·한국과학기술원(KAIST) 이진우·충남대 진형민 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 교육부 대학기초연구소(G-LAMP) 사업과 한국전력공사 전력연구원·사외공모 기초 개별연구의 지원을 받아 수행됐다.